介入手術(shù)醫(yī)療機器人末端執(zhí)行器設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(編輯修改稿)
2024-10-06 20:38 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 步進電機驅(qū)動，通過齒輪傳動將動力傳遞到主動滾輪上，然后通過摩擦傳動的方式將主動滾輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為導(dǎo)管直線進給運動 的動力 。 圖 33 軸向進給機構(gòu)二維結(jié)構(gòu)圖 軸向進給部件如圖 33所示 ， 主要包括 、 、 位齒輪、 、 、 、 型連桿、 塊、 、 。整個軸向進給部件 是 用螺釘固定在大旋轉(zhuǎn)盤的梯形槽 內(nèi) ，并且 應(yīng)保證主動滾輪輪皮上圓弧形槽的圓心在旋轉(zhuǎn)部件的軸線上 。 圖 34 進給部件傳動示意圖 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 12 由于血管介入手術(shù) 醫(yī)療 機器人 在 臨床應(yīng)用 時 的特殊環(huán)境以及對機器人電 子 設(shè)備的保護 [10]，要求進給部件的執(zhí)行機構(gòu)能 能夠 與電器設(shè)備快速的分離，因此本 文中的 軸向進給機構(gòu)的傳動方式采用齒輪傳動。其傳動裝置 如圖 9所示， 主要包括 四 個相同模數(shù)和齒數(shù)的傳動齒輪 。在 傳動過程 中， 步進電機帶動第一齒輪，并通過第四齒輪把動力傳遞到左側(cè)主動滾輪；同時，第二齒輪運動方向 改變 ，并由第三齒輪將動力傳遞到右側(cè)主動滾輪，最 后 實現(xiàn) 左右 主動滾輪的同 步反轉(zhuǎn)。 導(dǎo)管軸向距離檢測部件的模塊化設(shè)計 與血管介入手術(shù)機器人末端執(zhí)行器的軸向進給部件原理相似，軸向距離檢測部件也是由摩擦傳動的方式實現(xiàn)的，但是與進給機構(gòu)不同的是，進給機構(gòu)由主動滾輪的轉(zhuǎn)動通過傳動轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)管的直線進給運動，而檢測部件的主動運動是通過導(dǎo)管的直線運動驅(qū)動從動滾輪，使其發(fā)生轉(zhuǎn)動， 然后 由光電編碼器記錄從動滾輪的角度變化，再通過處理， 計算 得出導(dǎo)管的實際推進距離， 從而 實現(xiàn)手術(shù)過程中對導(dǎo)管的實時檢測。 在 設(shè)計 檢測部件的過程中，考慮到機器人臨床應(yīng)用的特殊環(huán)境以及對機器人電 子設(shè)備的保護等要求 ， 此 軸向距離檢測機構(gòu)也采用了齒輪傳動 [11]的方式，以保證在對機器人進行處理時快速方便的分離機械結(jié)構(gòu)和電器設(shè)備。 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 13 圖 35 軸向距離檢測部件 檢測部件的具體結(jié)構(gòu)如圖 35所示，檢測部件包括 、 動齒輪、 、 、 、 、 7.從動滾輪支架、 、 、 。整個檢測部件通過螺釘被固定在大檢測盤上，并確保從動滾輪輪皮上的圓弧形槽的圓心在旋轉(zhuǎn)部件的軸線上。 為了能夠快速更換并且適應(yīng)不同型號的導(dǎo)管，檢測機構(gòu)設(shè)計了可變化中心距的導(dǎo)管夾持功能，就是通過改變兩個從動滾輪的間距來快速的更換導(dǎo)管 [12]，并且具備適應(yīng)不同型號的導(dǎo)管的功能。 旋轉(zhuǎn)主軸的機構(gòu)設(shè)計 在 介入 手術(shù)過程中與導(dǎo)管有直接接觸的第三個零部件就是 末端執(zhí)行器 的旋轉(zhuǎn)主軸，由于旋轉(zhuǎn)主軸是整個 末端執(zhí)行器 旋轉(zhuǎn)部件的支撐定位 構(gòu) 件，是整個機 構(gòu) 運動部件和支撐部件間的橋梁，它的拆卸涉及 到了 整個機構(gòu)的各個零部件， 因此 要實現(xiàn)其整體的快速拆卸基本上 是 不可能。我們對 末端執(zhí)行器 的旋轉(zhuǎn)主軸進行了嵌套式的結(jié)構(gòu)設(shè)計。其具體的結(jié)構(gòu)如圖 36所示。 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 14 圖 36 軸向距離檢測部件 1— 大旋轉(zhuǎn)盤前支架、 2— 外層階梯軸、 3— 中層軸套、 4— 大旋轉(zhuǎn)盤后支架、 5— 內(nèi)層離合式軸芯 末端執(zhí)行器中導(dǎo)管的選擇 本末端執(zhí)行器推進的導(dǎo)管是一種細小的柔性中空軟管，其具體的形狀如圖 37 所示。主要結(jié)構(gòu)包括前端彎曲導(dǎo)向段、中間等圓柱面過度段、末端與醫(yī)療設(shè)備的接口段三個部分。不同型號的導(dǎo)管其長度范圍一般在 800mm1500mm 之間，其進入人體的前端和中間部分 的 直徑一般在 1mm4mm之間，末端與醫(yī)療設(shè)備的接口最大徑向尺寸不超過15mm。 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 15 圖 37 手術(shù)過程中使用的導(dǎo)管示意圖 本章小結(jié) 本章根據(jù)血管介入手術(shù)在臨床實踐中的要求以及原有樣機存在的問題，對血管介入手術(shù)機器人末端 執(zhí)行器進行了優(yōu)化設(shè)計，完善了末端執(zhí)行器的各項功能，提高了精度。對末端執(zhí)行器的模塊化設(shè)計使其能夠?qū)崿F(xiàn)三大基本功能；對推進機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計有助于提高手術(shù)的安全性能 [13]。 在機器人結(jié)構(gòu)方面，我們分析了影響末端執(zhí)行器 的各種因素，針對各種影響因素對機械結(jié)構(gòu)進行了改進，最終繪制了機械 圖紙，加工出的虛擬樣例如圖 38所示。 圖 38 末端執(zhí)行器虛擬樣機 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 16 4 末端執(zhí)行器運動控制系統(tǒng)開發(fā) 隨著機器人 技術(shù)的不斷進步，機器人在各行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。 在機器人的應(yīng)用技術(shù)中，最為重要的部分就是機器人的運動控制系統(tǒng) [14]。 控制系統(tǒng)方案 選擇 本文 在了解了當(dāng)前機器人的應(yīng)用趨勢，查閱了 相關(guān) 研究資料 的基礎(chǔ)上，根據(jù)臨床實踐的具體要求，選擇了可編程多軸運動控制器 PMAC。 PMAC是美國 Delta Tau 公司九十年代推出的開放式多軸運動控制器，它提供運動控制、離散控制、內(nèi)務(wù)處理、同主機的交互等數(shù)控的基本功能。 PMAC 內(nèi)部使用了一片 Motorola DSP 56001 數(shù)字信號處理芯片，它的速度、分辨率、帶寬等指標遠優(yōu)于一般的控制器。 PMAC 內(nèi)部使用了一片 Motorola DSP 56001 數(shù)字信號處理芯片，它 的速度、分辨率、帶寬等指標遠優(yōu)于一般的控制器。 在控制器的設(shè)計過程中，首先要 確定控制系統(tǒng)的整體控制結(jié)構(gòu)。按結(jié)構(gòu)方式劃分機器人控制系統(tǒng)一般分三種：集中控制、主從控制和集散式控制。 集中控制是選則一臺高性能的計算機來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的全部控制功能。在過去這種控制方式很常見，優(yōu)點是容易實現(xiàn)，也比較經(jīng)濟；缺點是計算量大，控制效率低。 因此不選擇這種控制系統(tǒng)。 主從式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 41所示，一級 計算 機為主機， 具有 管理系統(tǒng)、機器人語言編譯和人機接口 的 功能，并定時地把運算結(jié)果送到公共內(nèi)存， 然后 供二級計算機讀取。二級機完 成全部關(guān)節(jié) 位置的 數(shù)字控制，從公共內(nèi)存中讀取一級機的給定 數(shù) 值，將各關(guān)節(jié)實際位置 返 回 到 公共內(nèi)存供一級機讀取。與 集中控制 結(jié)構(gòu)相比，這類系統(tǒng)控制性能 更 高。 圖 41 主從式控制結(jié)構(gòu) 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 17 集散式結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代機器人控
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